采用RF- PECVD 法在鍺(Ge)基片上沉積類金剛石(DLC)薄膜，研究了氣體流量和氣壓對沉積區(qū)域均勻性的影響，以及基片厚度與沉積時間的關(guān)系。用拉曼光譜(Raman)分析DLC 膜的結(jié)構(gòu)組成，用傅立葉紅外光譜儀(IR)對DLC 膜的透過率進(jìn)行了測量。結(jié)果表明，在氣體流量為50 sccm，氣壓為10 Pa，功率800 W條件下薄膜厚度均勻性可達(dá)2.1%，極值透過率達(dá)62%。

　　隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，在紅外窗口材料上鍍制8 μm~12 μm 波段高性能紅外增透膜，從而提高紅外信號的透過率，提高紅外探測器的分析靈敏度，實(shí)現(xiàn)紅外探測和制導(dǎo)，是目前受到普遍關(guān)注的領(lǐng)域。鍺(Ge)是在8 μm~12 μm范圍內(nèi)最常用的窗口和透鏡材料，但容易被沙粒劃傷和被海水侵蝕。類金剛石膜(DLC)在8 μm~12 μm范圍內(nèi)具有與Ge 相匹配的折射率和很高的透過率，

　　且因其具有高硬度，耐摩擦，高絕緣，耐酸堿的能力，是Ge 透鏡的理想增透材料和保護(hù)膜層，因此在Ge 上鍍制均勻，性能良好的類金剛石膜非常重要。

　　射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)是目前最常用的DLC 膜沉積方法之一。該方法具有沉積溫度低、沉積面積大，沉積速率高，膜層質(zhì)量好,適于在介質(zhì)基片上沉積等優(yōu)點(diǎn)。它雖可用來制備光潔度高的光學(xué)級類金剛石薄膜，但對于大口徑零件來說存在膜層均勻性的問題，這是在國內(nèi)普遍存在的問題。為降低沉積過程中由于高能粒子對基底的轟擊引起基底溫度升高，從而對膜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，本文采用兩次沉積的方法完成DLC 膜的制備。以甲烷(CH4)為氣源，研究了氣體流量和氣壓對薄膜均勻性的影響以及基片厚度與沉積時間的關(guān)系。

1、實(shí)驗(yàn)

　　制備DLC 膜的裝置采用上下極板電容耦合的方式，上下極板直徑比為9/4，極板間距65 mm，激勵電源為頻率13.56 MHz，功率2 kW 的射頻源�；�片大小Φ22×(1~3)mm，均為鏡面拋光的單晶Ge。

　　將用無水乙醇擦拭干凈的單晶基片放入下極板指定位置后，抽真空至小于1.5×10- 2 Pa，通入Ar 氣，保持氣體壓力3.3 Pa~4 Pa，功率200 W,清洗基片5 min。然后通入甲烷(CH4)，氣體流量40 sccm~50 sccm，工作壓力7 Pa~20 Pa，800 W 左右的功率下沉積15 min~20 min。然后關(guān)閉電源，冷卻10min 鐘后，取出鍺片，清理腔體。再次放入鍺片，抽真空至1.5×10- 2 Pa，用Ar 清洗2 min后，在相同條件下沉積15 min~20 min。

　　用英國Renishaw RM1000 型拉曼光譜儀(Raman) 對樣品的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析，用美國Nicolet6700 傅立葉紅外光譜儀(IR)對透過率進(jìn)行測量。

2、結(jié)果與討論

　　為研究甲烷流量和工作氣壓對不同半徑處DLC 膜厚度的影響，我們將4 個Φ22×2.5 mm的Ge 基片放在如表1 所示位置。表1 為4 個不同流量和氣壓條件下制備的樣品的均勻性結(jié)果，4 次試驗(yàn)中，都保持沉積功率為800 W，兩次沉積時間共30 min。可以看到，當(dāng)氣壓為20 Pa，氣流為40 sccm 時，DLC 膜非常不均勻，且中間薄邊緣厚。降低氣壓至10 Pa，均勻性為10%。再增加氣流至50 sccm，DLC 膜均勻性大幅提高，為2.1%。繼續(xù)降低氣壓至7 Pa，DLC 膜不均勻性有所增加，且為中間厚邊緣薄，此時薄膜的生長速率也有較大下降。

表1 不同條件下制備的DLC 膜的均勻性

圖1 基片厚度與沉積時間的關(guān)系圖

　　相同實(shí)驗(yàn)條件下在不同厚度的Ge 基片上沉積DLC 膜時發(fā)現(xiàn)，若要制備出相同光學(xué)厚度的DLC 膜，總共沉積時間有差異。圖1 為在功率為800 W,氣壓為10 Pa，氣體流量為50 sccm 的固定條件沉積光學(xué)厚度為2.35 mm 的DLC 膜時，基片厚度與總共沉積時間的關(guān)系圖。可以看到，當(dāng)基片較薄，所需沉積時間較長，為39 min。隨著基片厚度的增加，沉積時間大幅減少。當(dāng)基片為2.5 mm厚時，沉積時間只需30 min。但隨著基片厚度的繼續(xù)增加，沉積時間又有所增長。值得說明的是，1 mm~3 mm 厚的基片在下極板的各個徑向位置厚度均勻在5%以內(nèi)。

圖2 樣品的拉曼光譜

　　Raman 是分析DLC 膜結(jié)構(gòu)組成的最好方法，圖2 為Φ22×2.5 mm 的Ge 基上沉積30 min 的DLC 膜Raman 光譜圖。從圖2 可以看出，在1000 cm- 1~1800 cm- 1 范圍內(nèi)存在一個很強(qiáng)的非對稱寬峰，表明薄膜具有典型的DLC 薄膜的特征[8]。DLC 膜的拉曼光譜按高斯擬合成兩個峰，位于1536 cm- 1 附近的較強(qiáng)寬峰，對應(yīng)于G 峰;位于1342 cm- 1 附近的肩峰，對應(yīng)于D 峰。G 峰與鏈狀的C- C 鍵相關(guān)，表征鍵角發(fā)生畸變的非晶態(tài)，與單晶石墨的G 峰(位于1580 cm- 1)相比，該峰向低頻方向有移動。寬化的D 峰源于碳膜內(nèi)含有畸變的四價雜化的sp3 鍵，且ID/IG 為0.70。通常認(rèn)為Raman 中G 峰位峰向低波數(shù)漂移且ID/IG 值較小的現(xiàn)象意味著薄膜中sp2 雜化碳減少，sp3 鍵數(shù)量增加。

圖3 樣品的實(shí)測透過率

　　圖3 為Φ22×2.5 mm的Ge 基上沉積30 min 的DLC 膜的透過率曲線。由于光的干涉作用，大大降低了樣品在參考波長附近的反射損失，從而提高了紅外透過率。從圖可知，平均透過率在60%左右，極值透過率達(dá)62%。

3、結(jié)論

　　用RF- PECVD 法在Ge 單晶上成功鍍制了DLC 薄膜。甲烷流量和工作氣壓對薄膜的均勻性有很大影響，且沉積時間與基片厚度密切相關(guān)。DLC 膜的平均透過率為60%。目前我們已實(shí)現(xiàn)Φ180 mm 內(nèi)的Ge 基片上制備DLC 膜的小批量生產(chǎn)。